孫園露，韓念琛，簡(jiǎn) 熙，潘國(guó)強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

近年來(lái)，研究紅外比色測(cè)溫儀在焦?fàn)t測(cè)溫中的應(yīng)用較多[1-5]。有研究焦?fàn)t數(shù)學(xué)模型的，通過其他部分的溫度推算立火道溫度，優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，能利用現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)無(wú)需增加硬件成本，缺點(diǎn)是準(zhǔn)確性較差。也有研究多點(diǎn)固定式測(cè)量立火道溫度的，方法是在被測(cè)爐蓋上打孔安裝紅外測(cè)溫儀，用壓縮空氣進(jìn)行冷卻，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，缺點(diǎn)是測(cè)點(diǎn)較少，投資成本過高[6-12]。研究爐頂軌道測(cè)溫機(jī)器人的不多，更少見如何將自動(dòng)測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)測(cè)立火道溫點(diǎn)的方法研究。新型軌道測(cè)溫機(jī)器人測(cè)溫方法是其自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到被測(cè)立火道并精確定位，揭開爐蓋，固定在安裝了電子陀螺儀的精密云臺(tái)上的測(cè)溫儀自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)立火道底部測(cè)溫區(qū)進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫完畢，合蓋，運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)被測(cè)立火道重復(fù)上述過程。

1 云臺(tái)的結(jié)構(gòu)及測(cè)溫位置

1.1 測(cè)溫云臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖1為機(jī)器人的3D建模的圖形。測(cè)溫機(jī)器人高度低，行駛在角鐵鋪設(shè)的軌道上，專門用來(lái)測(cè)量位于裝煤車控制室底部的立火道溫度。

圖1 測(cè)溫機(jī)器人三維模型

測(cè)溫機(jī)器人共分3個(gè)艙室，而測(cè)溫機(jī)器人的前后2個(gè)艙室都包含了圖2所示的測(cè)溫云臺(tái)，且2個(gè)測(cè)溫云臺(tái)以機(jī)器人中心為原點(diǎn)，呈中心對(duì)稱分布，目的是可以分別測(cè)量機(jī)器人所橫跨的機(jī)側(cè)和焦側(cè)2列火道的直行溫度 。

圖2 云臺(tái)三維模型

云臺(tái)如圖2所示，其由2個(gè)帶諧波減速器的42步進(jìn)電機(jī)、帶轉(zhuǎn)角鏡的紅外比色測(cè)溫儀、帶485通訊功能的6軸陀螺儀以及攝像頭組成。轉(zhuǎn)角鏡可以讓水平放置的測(cè)溫儀觀測(cè)到豎直向下的立火道底部測(cè)溫區(qū)間，再由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整測(cè)溫儀物鏡的焦點(diǎn)位置，其中諧波減速器的使用顯著降低了使用普通減速器的齒輪間隙所造成誤差，提高了定位精度。

由圖2可以看到2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的軸互相垂直，調(diào)整兩電機(jī)使經(jīng)轉(zhuǎn)角鏡折射的測(cè)溫光路沿著圖中的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，即可將測(cè)溫范圍覆蓋到位于轉(zhuǎn)角鏡正下方的立火道底部的任一位置。

1.2 測(cè)量位置的選擇

如圖3所示，圖中上部較亮環(huán)形區(qū)間為燒嘴，這一區(qū)間的溫度過高，不適合作為測(cè)量區(qū)間，圖中左右兩側(cè)的高亮區(qū)亦不適合。最暗的2個(gè)矩形區(qū)間為斜道口，溫度最低。

圖3 焦?fàn)t燃燒室底部俯視圖

對(duì)于復(fù)熱式煉焦?fàn)t，最佳的測(cè)溫區(qū)間是圖中亮度介于燒嘴和斜道口兩者之間的空曠區(qū)間[13]，從圖中可見的工字型區(qū)間均可以作為測(cè)量點(diǎn)，故統(tǒng)一將測(cè)溫區(qū)間選在圖中下虛線圓所標(biāo)識(shí)出來(lái)的位置。

2 測(cè)溫算法

圖4為云臺(tái)的實(shí)物圖，此時(shí)的轉(zhuǎn)角鏡是朝上的，轉(zhuǎn)角鏡中部有可以透過光線的小塊玻璃片，測(cè)溫時(shí)轉(zhuǎn)角鏡是朝下的，接收從正下方車體嵌入的防塵玻璃蓋板透過的紅外光線和立火道底部圖像信號(hào)。測(cè)溫分為2個(gè)步驟，即先標(biāo)定，再測(cè)溫。

圖4 云臺(tái)實(shí)物

2.1 標(biāo)定算法

圖5為標(biāo)定算法流程圖。在正式進(jìn)入自動(dòng)溫度采集前，需要進(jìn)入標(biāo)定模式，在這一模式下，會(huì)按照標(biāo)定算法將所有的待測(cè)看火孔的測(cè)溫點(diǎn)的坐標(biāo)以陀螺儀姿態(tài)角的形式依次存儲(chǔ)下來(lái)。首先是測(cè)溫軌道機(jī)器人依次到達(dá)各個(gè)看火孔上方，在揭蓋完成后，操作人員手持圖像接收設(shè)備一邊觀察，一邊通過操縱鍵盤調(diào)整云臺(tái)兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使測(cè)溫光路中心對(duì)準(zhǔn)最佳的測(cè)溫點(diǎn)，再令PLC將從陀螺儀讀取的云臺(tái)的姿態(tài)角數(shù)值記錄，作為該看火孔的最佳測(cè)溫點(diǎn)的坐標(biāo)。用這種方式將所有待測(cè)看火孔的測(cè)溫點(diǎn)坐標(biāo)全部標(biāo)定完成后可供之后的自動(dòng)測(cè)溫調(diào)用。

圖5 標(biāo)定流程圖

2.2 自動(dòng)測(cè)溫算法

圖6為自動(dòng)測(cè)溫的算法流程圖。在標(biāo)定算法的基礎(chǔ)之上，自動(dòng)測(cè)溫時(shí)，會(huì)比較算出當(dāng)前陀螺儀的姿態(tài)角數(shù)值和標(biāo)定值的差值，若某一角度方向上兩者之間存在偏差，就會(huì)使該方向上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，從而消除該方向上的角度偏差，不同方向上的調(diào)整都是基于此原理實(shí)現(xiàn)的。這樣就完成了云臺(tái)對(duì)當(dāng)前看火孔測(cè)溫點(diǎn)的自動(dòng)定位。之后，再令測(cè)溫儀掃描測(cè)溫區(qū)域并讀取溫度，確?？梢宰x到多組溫度數(shù)值，保證在測(cè)溫儀與最佳測(cè)溫點(diǎn)即使有一定偏差的情況下依然能讀到準(zhǔn)確的溫度值，最后加權(quán)平均值作為當(dāng)前看火孔所采集到的溫度，上傳給上位機(jī)。

圖6 自動(dòng)測(cè)溫流程圖

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 陀螺儀和測(cè)溫儀的通訊

PLC與陀螺儀和測(cè)溫儀是通過RS485的串口通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。由于陀螺儀與紅外比色測(cè)溫儀的通訊波特率不同，數(shù)據(jù)、命令格式也不同，同一串口進(jìn)行通訊時(shí)需不斷切換波特率，通訊數(shù)據(jù)略有延遲。解決方法是先讀陀螺儀數(shù)據(jù)，比對(duì)標(biāo)定值，計(jì)算輸出脈沖，實(shí)時(shí)讀取運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，到測(cè)量區(qū)域后，不再讀陀螺儀數(shù)據(jù)，只讀紅外比色測(cè)溫儀數(shù)據(jù)。區(qū)域掃描測(cè)溫時(shí)，不讀陀螺儀數(shù)據(jù)，只讀測(cè)溫儀數(shù)據(jù)，這樣處理一次定位測(cè)量只需切換一次通訊波特率，提高了不同設(shè)備的使用效率。

3.2 步進(jìn)電機(jī)的控制

根據(jù)太鋼7.63 m焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)，從焦?fàn)t頂面到立火道底部的距離約為9.29 m，燃燒室內(nèi)部寬度約為0.55 m，根據(jù)測(cè)算，使物鏡中心對(duì)準(zhǔn)立火道底部的邊緣時(shí)，云臺(tái)電機(jī)的擺幅最大不超過3.39°，如圖7所示。

圖7 測(cè)溫示意圖

這要求步進(jìn)電機(jī)的控制應(yīng)十分精確，因此為步進(jìn)電機(jī)配裝了減速比為50∶1的減速器，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用最大的32細(xì)分、6 400 Pulse/rev，即PLC每輸出6 400個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈，再考慮減速器的作用，每脈沖的對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)到0.01°。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以由操作人員在標(biāo)定時(shí)手持按鍵鍵盤來(lái)調(diào)整測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)立火道測(cè)溫區(qū)。自動(dòng)測(cè)溫時(shí)，為保證測(cè)溫儀物鏡中心即使遇到外部干擾依然能保持在最佳的測(cè)溫區(qū)間，要求根據(jù)陀螺儀當(dāng)前回傳的姿態(tài)角數(shù)值與標(biāo)定值的偏差及時(shí)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)。主站傳來(lái)移動(dòng)到看火孔正上方的信號(hào)后，根據(jù)當(dāng)前傳送來(lái)的看火孔序號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的標(biāo)定坐標(biāo)值，計(jì)算繞X和Y兩電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，各自當(dāng)前值與標(biāo)定值的差值分別按照式(1)計(jì)算，就可以得到各電機(jī)需要調(diào)整的脈沖數(shù)，結(jié)果的正負(fù)符號(hào)表示調(diào)整方向。

(1)

式中：θ標(biāo)為姿態(tài)角標(biāo)定存儲(chǔ)的值；θ現(xiàn)為姿態(tài)角當(dāng)前讀取的值；j為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器分辨率，Pulse/rev；i為諧波減速器減速比。

調(diào)整完成后測(cè)溫儀物鏡中心已落在了上文提及的測(cè)溫點(diǎn)，再讓測(cè)溫儀掃描一個(gè)約1°的軌跡后即可完成測(cè)溫。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

前期由于模擬焦?fàn)t頂部的情況非常困難，在實(shí)驗(yàn)室階段驗(yàn)證了云臺(tái)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)定位的精度符合要求后，隨即前往太鋼9號(hào)焦?fàn)t現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)溫機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行了安裝和實(shí)地測(cè)試。如下圖8所示。由于爐面灰塵較大，此時(shí)的機(jī)器人是有防塵蓋的，并且在上面臨時(shí)放著按鍵鍵盤，方便調(diào)試。

圖8 機(jī)器人調(diào)試圖

最終的調(diào)試階段完成之后，按照焦?fàn)t的測(cè)溫工藝對(duì)測(cè)溫的準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證測(cè)溫云臺(tái)所測(cè)得溫度的準(zhǔn)確性和可靠性，并得到了焦側(cè)的曲線圖，如圖9所示。

圖9 焦側(cè)直行溫度曲線圖

從圖9可以看出，所測(cè)溫度大致在上限1 390 ℃和下限1 260 ℃之間波動(dòng)，計(jì)算該時(shí)段的溫度平均值約為1 318 ℃，根據(jù)9號(hào)爐當(dāng)月標(biāo)準(zhǔn)溫度為1 309 ℃，焦側(cè)溫度理論上也應(yīng)偏高，所測(cè)焦側(cè)溫度的平均值符合標(biāo)準(zhǔn)溫度±10 ℃范圍內(nèi)，可以判斷所測(cè)焦側(cè)溫度合理。

實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)溫云臺(tái)定位精確可靠，測(cè)得的直行溫度數(shù)據(jù)基本符合標(biāo)準(zhǔn)溫度，測(cè)溫云臺(tái)可以作為人工測(cè)量方式的替代，但仍需改進(jìn)。

5 結(jié)論

測(cè)溫機(jī)器人通過搭載安裝了電子陀螺儀的精密云臺(tái)，結(jié)合陀螺儀標(biāo)定數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)的比較，計(jì)算出精密云臺(tái)的控制脈沖的方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫儀自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)立火道測(cè)溫區(qū)，較好地解決了由于焦?fàn)t爐頂在高溫下的變形，使在不同的立火道上方測(cè)溫機(jī)器人的傾角不同，并且不同立火道的變形量也不同，導(dǎo)致固定在測(cè)溫機(jī)器人的測(cè)溫儀很難對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)的難題。驗(yàn)證了利用陀螺儀定位的新型測(cè)溫云臺(tái)系統(tǒng)的可行性，推動(dòng)了用軌道測(cè)溫機(jī)器人替代人工測(cè)量立火道溫度的技術(shù)發(fā)展。